摘 要：頁(yè)巖具有超低基質(zhì)滲透率及納米尺度的孔喉結(jié)構(gòu)，天然氣在頁(yè)巖納米孔隙中的流動(dòng)不再遵循達(dá)西定律，受到較常規(guī)儲(chǔ)層更加顯著的滑脫效應(yīng)影響，研究頁(yè)巖納米孔隙氣體流動(dòng)的滑脫效應(yīng)，對(duì)于指導(dǎo)頁(yè)巖氣的壓裂設(shè)計(jì)、產(chǎn)能預(yù)測(cè)、氣藏?cái)?shù)值模擬等都具有重要的意義。為此，在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析對(duì)比了目前頁(yè)巖中氣體流動(dòng)的多尺度流動(dòng)規(guī)律，并著重分析了評(píng)價(jià)滑脫效應(yīng)對(duì)氣體在頁(yè)巖中流動(dòng)的影響規(guī)律，以及氣體解吸對(duì)于頁(yè)巖納米孔隙滑脫效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：Klinkenberg方程無(wú)法準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖的滑脫效應(yīng)，孔隙尺寸越小，滑脫效應(yīng)對(duì)于氣體流動(dòng)影響越大，且頁(yè)巖受到滑脫效應(yīng)影響的壓力范圍更大，這不僅僅局限于低壓范圍內(nèi)，如果在頁(yè)巖氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)與氣藏?cái)?shù)值模擬過(guò)程中，不考慮滑脫效應(yīng)將會(huì)帶來(lái)更大的計(jì)算偏差；有機(jī)質(zhì)孔隙表面的氣體吸附、解吸會(huì)改變氣體的流動(dòng)通道，對(duì)納米孔隙中氣體滑脫效應(yīng)存在重要的影響；最后指出，多尺度流動(dòng)效應(yīng)和基于孔喉分布的應(yīng)力—溫度—流動(dòng)耦合模型是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲流機(jī)理的下一步研究方向。
關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣 納米孔隙 流動(dòng)規(guī)律 滑脫效應(yīng) 氣體吸附 生產(chǎn)能力 預(yù)測(cè) 儲(chǔ)集層滲流機(jī)理
Slippage effect of shale gas flow in nanoscale pores
Abstract：Gas shale contains a nanoscale pore throat structure with ultra-matrix permeability．Shale gas flow in nanoseale Dores no longer follows the Darcy's Law but is subject to a more significant slippage effect compared to conventional reservoirs．It is great significant in the guidance of shale gas fracturing design，production forecast，numerical simulation to study the slippage effect of shale gas flow in nanoscale pores．On the basis of the literature research，we analyzed and compared the muhisealc flow in gas shales，focusing on the analysis and assessment of the influencing law of the slippage effect on gas flow in shales and the impact of gas desorption on the slippage effect of nanoscale pores in shales．The results showed that：the Klinkenberg equation can not accuratcly describe the shale slippage effect；the smaller the pore size is，the greater the impact of slippage effect on gas flow in shales and the wider the pressure range of shale subject to slippage effect，which is not limited to the low pressure range．If the slippage effect is not considered，there will be a greater calculating deviation in shales gas production forecast and shale gas reservoir sireulation．The gas adsorption and desorption of organic pore surface will change gas flow channel，exerting a significant impact on the slippage effect of gas in nanoscale pores．Finally it is pointed out that the next research on shale gas reservoir percolation mechanism will be the muhiseale flow effect and stress temperature-flow cou．pling model based on pore throat distribution．
Keywords：shale gas，nanoscale pore，flow mechanism，slippage effect，gas adsorption，production，forecast，reservoir percolation mechanism
我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有廣闊的前景[1-2]，而體積壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。天然氣存在于微納米孔隙裂隙中，只有實(shí)現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通和微納米孔隙的有效流動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的有效開(kāi)采。改造后的裂縫網(wǎng)絡(luò)與基質(zhì)的微納米級(jí)滲流通道形成頁(yè)巖氣藏復(fù)雜的多尺度流動(dòng)。其中頁(yè)巖儲(chǔ)層中納米孔隙的存在，使氣體在頁(yè)巖中的滲流機(jī)理更加復(fù)雜，正確認(rèn)識(shí)氣體在頁(yè)巖中的流動(dòng)機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)如何形成縫網(wǎng)、壓裂優(yōu)化、產(chǎn)能預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬等有重要的意義。氣體滑脫是頁(yè)巖納米孔隙氣體滲流的重要機(jī)理，氣體分子相對(duì)于納米孔喉的比例，遠(yuǎn)大于其相對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層的比例，滑脫效應(yīng)更加嚴(yán)重，研究納米孔隙氣體滑脫效應(yīng)對(duì)于認(rèn)識(shí)頁(yè)巖滲流機(jī)理、指導(dǎo)頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)具有重要意義。
1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的多尺度流動(dòng)
頁(yè)巖儲(chǔ)層中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的儲(chǔ)存形式主要有3種：連通微孔隙裂縫中的游離氣、有機(jī)質(zhì)和黏土表面的吸附氣以及固體有機(jī)質(zhì)中的溶解氣[3-4]。在頁(yè)巖基質(zhì)納米孔隙中，自由氣、吸附氣和溶解氣共同構(gòu)成了頁(yè)巖氣納米孔隙氣體流動(dòng)物理模型[5]。
頁(yè)巖氣藏的體積改造技術(shù)的裂縫起裂與擴(kuò)展不簡(jiǎn)單是裂縫的張性破壞，而且還存在剪切、滑移、錯(cuò)斷等復(fù)雜的力學(xué)行為，通過(guò)體積改造形成的是復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)[6-7]。網(wǎng)狀裂縫和頁(yè)巖納米孔隙共同控制了頁(yè)巖氣藏的氣體流動(dòng)，改造后的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)由支撐主縫、天然裂縫剪切滑移引起的白支撐裂縫和溝通毛細(xì)裂縫組成，裂縫網(wǎng)絡(luò)與基質(zhì)的微納米級(jí)滲流通道形成頁(yè)巖氣藏復(fù)雜的多尺度流動(dòng)，頁(yè)巖的吸附解吸特性，進(jìn)一步增加了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層氣體流動(dòng)的復(fù)雜性[8-10]。氣體在頁(yè)巖氣藏頁(yè)巖氣藏中的流動(dòng)分為宏觀尺度、中尺度、微米尺度、納米尺度、分子尺度等5個(gè)尺度，7℃體在其中的多尺度流動(dòng)機(jī)理為[11]：人工裂縫和井筒之間的壓力差會(huì)引起人工裂縫中的氣體流入井筒，人工裂縫中氣體壓力的降低引起微裂縫中的氣體流動(dòng)。微裂縫中的氣體流動(dòng)會(huì)使基質(zhì)和微裂縫間產(chǎn)生壓差，基質(zhì)中氣體開(kāi)始流動(dòng)，并使基質(zhì)壓力降低，在壓力降足夠的情況下，巖石顆粒表面的吸附氣會(huì)解吸，流入到裂縫和基質(zhì)孔隙中，干酪根和黏土顆粒內(nèi)部的氣體分子則會(huì)在擴(kuò)散作用下發(fā)生質(zhì)量交換。頁(yè)巖氣藏所存在的多尺度流動(dòng)效應(yīng)使其數(shù)學(xué)表征變得更加的復(fù)雜，其中氣體在基質(zhì)納米孔隙中的流動(dòng)是關(guān)鍵的問(wèn)題
2 頁(yè)巖納米孔隙的氣體滑脫效應(yīng)
2．1 頁(yè)巖的納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)
對(duì)于大部分的頁(yè)巖，其孔隙半徑比常規(guī)儲(chǔ)層要低得多，圖1-a為Barnett頁(yè)巖不同樣品的掃描電鏡圖像，可以看出，頁(yè)巖基質(zhì)主要由黏土礦物(淺灰色物質(zhì))和有機(jī)質(zhì)或干酪根組成(深灰色物質(zhì))，孔隙主要分布在有機(jī)質(zhì)中，且這些孔隙主要是納米孔隙。圖1-b所示為通過(guò)壓汞法所測(cè)得的一個(gè)Barnett頁(yè)巖的孔隙大小分布曲線，其主要孔隙半徑分布范圍在10nm以下。2010年，鄒才能等人在中國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)納米級(jí)孔隙[12-13]，指出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙以有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔、顆粒內(nèi)孔及白生礦物品間孔為主，孔隙直徑范圍為5～300nm，主體為80～200nm。
一般認(rèn)為頁(yè)巖內(nèi)83％～87％孔隙度米自納米孔隙的貢獻(xiàn)[16]，納米級(jí)孔隙是頁(yè)巖的主要組成部分，是頁(yè)巖的主要儲(chǔ)氣空間。
氣體滑脫指氣體在介質(zhì)孔道流動(dòng)中出現(xiàn)的近孔道壁面氣體分子對(duì)壁面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象[17]，1941年，Klinkenberg第一次在石油行業(yè)中提出了多孔介質(zhì)的氣體滑脫效應(yīng)[18]，氣藏的大量投入開(kāi)發(fā)使氣體滑脫效應(yīng)得到了廣泛的關(guān)注，學(xué)者們進(jìn)行了滑脫效應(yīng)機(jī)理[19-22]及其對(duì)于氣體滲透率[23]、氣藏產(chǎn)能[24-25]等方面影響的研究。
頁(yè)巖氣藏中納米孔隙的存在，使氣體滑脫效應(yīng)更加的顯著，氣體滑脫成為頁(yè)巖微觀尺度的重要滲流機(jī)理[26-28]，頁(yè)巖納米孔隙的氣體滑脫機(jī)理及其模型表征方法是重要的研究?jī)?nèi)容。
2．2 納米孔隙中的氣體滑脫效應(yīng)
經(jīng)典的流動(dòng)理論中，流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)時(shí)連續(xù)性理論成立，流體在孔隙壁面處的流速為零(圖2-a)。常規(guī)的儲(chǔ)層孔隙喉道半徑相對(duì)較大(通常是在1～100mm)，連續(xù)性理論成立的，達(dá)西方程能夠很好地描述常規(guī)儲(chǔ)層中的流體流動(dòng)規(guī)律。
氣體在納米孔隙中的流動(dòng)特征如圖2-b所示。頁(yè)巖孔隙直徑較小，甲烷分子的直徑(0.4nm)對(duì)于其流動(dòng)通道來(lái)講相對(duì)是比較大的，在分子水平，連續(xù)性理論不再成立，分子將在壓差的驅(qū)動(dòng)之下，朝著一個(gè)總體的方向，以一個(gè)相對(duì)隨機(jī)的方式運(yùn)動(dòng)，許多分子將會(huì)與孔隙壁面發(fā)生碰撞，并沿著壁面間發(fā)生滑脫運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)出氣體在孔道壁面具有非零速度。氣體滑脫會(huì)貢獻(xiàn)一個(gè)附加通量，同不存在滑脫的情況相比，氣體分子在壁面的滑脫會(huì)降低氣體的流動(dòng)壓力差[29]。
Knudsen數(shù)是判斷氣體在不同尺度的流動(dòng)通道內(nèi)的流動(dòng)是否存在滑脫效應(yīng)的無(wú)量綱數(shù)，代表了分子的平均自由程同孔隙尺寸的相互比例關(guān)系，是識(shí)別氣體不同流動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[30]：
Kn＝l／r (1)
式中l是平均自由程，m；，r是孔隙半徑，nm。
目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者廣泛接受的氣體在微孔隙中的流動(dòng)狀態(tài)的分類方式是：黏性流(Kn≤0.001)、滑脫流(0.001<Kn<0.1)、過(guò)渡流(0.1<Kn<10)、自由分子流(Kn≥10)[31]。黏性流也就是達(dá)西流動(dòng)；滑脫流指的是分子在孔隙壁面的速度不為零，分子對(duì)孔隙壁面的碰撞不能忽略，發(fā)生滑脫；Knudsen數(shù)大于10時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自由分子流，分子和壁面之間的碰撞是主要的，分子之間的碰撞可以忽略；滑脫流和自由分子流之間存在著過(guò)渡流，黏性流理論不再適用，分子與孔隙壁面的碰撞和分子間的碰撞同樣重要，目前過(guò)渡流的微觀機(jī)理仍然在研究過(guò)程中。
假定氣藏溫度為353K，圖3給出了不同的壓力條件下，甲烷氣在不同級(jí)別的孔隙中流動(dòng)時(shí)的Knudsen數(shù)，圖3中右側(cè)給出了不同的流態(tài)的界限，可以看出：頁(yè)巖納米孔隙中的主要流態(tài)是滑脫流和過(guò)渡流。
2．3 納米孔隙氣體滑脫效應(yīng)的表征模型
研究氣體在納米孔隙中的流動(dòng)規(guī)律時(shí)，表觀滲透率既能夠直接地表征氣體滑脫對(duì)于氣體流動(dòng)的影響，又能夠與目前的數(shù)值模擬器有效地結(jié)合，對(duì)頁(yè)巖的生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行模擬研究。目前的表征模型主要有以下3種。
2．3．1Klinkenberg模型
Klinkenberg發(fā)現(xiàn)在低壓力條件下，實(shí)驗(yàn)觀察到的氣體流量高于達(dá)西方程的預(yù)測(cè)值，提出了表觀滲透率隨著壓力的變化式：
其中bk＝4clp／r
式中Ka為表觀氣體滲透率，mD；K∞為等效液體滲透率，mD；`p為平均孔隙壓力，MPa；bk為Klinkenberg氣體滑脫因子，MPa；l為給定壓力和溫度下的氣體分子平均自由程；r為孔隙半徑；c≈1。
Klinkenberg方程可以寫為以Knudsen數(shù)表征的形式：
Ka＝(1+4cKn)K∞ (3)
Klinkenberg模型是表征氣體滑脫效應(yīng)的經(jīng)典模型，通過(guò)研究獲取，即可建立其表觀滲透率表征模型。
2．3．2 B-K表觀滲透率模型
該模型由Beskok和Karniadakis基于微管模型提出了能夠表征不同流態(tài)下的氣體表觀滲透率計(jì)算公式[32]：
式中a為無(wú)因次稀疏系數(shù)；b為微管模型中氣體流動(dòng)的滑脫系數(shù)，通常取-1。
Civan在該模型的基礎(chǔ)上，提出了無(wú)因次稀疏系數(shù)修正公式[33-34]：
式中：A＝0.170，B＝0.4348，a0＝1.358。
2．3．3 Javadpour表觀滲透率模型
Javadpour考慮Knudsen擴(kuò)散和滑脫的雙重作用，提出了表觀滲透率計(jì)算公式：
式中T為氣藏溫度，K；`r為氣體平均密度，kg／m3；a為切向動(dòng)量供給系數(shù)，其取值在0～1之間，與孔隙壁的光滑程度、氣體類型、溫度和壓力有關(guān)，一般需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。
該模型由Knudsen擴(kuò)散部分和滑脫部分組成，可以看出納米孔隙中表觀滲透率同絕對(duì)滲透率之間的關(guān)系由氣體的性質(zhì)、孔喉大小以及壓力溫度等表示，基于該模型，可有效的研究頁(yè)巖孔徑、溫度壓力等條件對(duì)于其氣體流動(dòng)規(guī)律的影響[35]。
3 滑脫效應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣體流動(dòng)的影響規(guī)律
滑脫效應(yīng)受到分子的平均自由程相對(duì)于孔喉半徑大小的控制，氣體的表觀滲透率因此會(huì)受到孔隙半徑、壓力、溫度等因素的影響。
圖4為采用3種不同的模型時(shí)，Ka／K∞隨著Knudsen數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯涸陴ば粤麟A段，表觀滲透率等于絕對(duì)滲透率；在滑脫流階段，隨著Knudsen數(shù)的增大，逐漸地變大，滑脫的存在使表觀滲透率增加，3種模型在滑脫流階段的計(jì)算結(jié)果基本趨于一致；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)渡流時(shí)，3種模型的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了較大的偏差，其中Civan模型和Javadpour模型結(jié)果較為接近，而Klinkenberg的模型則明顯的小于前兩者，這說(shuō)明Klinkenber模型不再適用于過(guò)渡流階段流動(dòng)規(guī)律的描述，該模型低估了過(guò)渡流階段的表觀滲透率。
根據(jù)式(6)可知，溫度、壓力、孔隙半徑等因素均對(duì)氣體滑脫存在影響，采用Javadpour模型分析以上不同因素對(duì)頁(yè)巖納米孔隙氣體滑脫的影響程度(圖5)。圖5-a是溫度為353K的條件下，甲烷氣在10nm的孔隙中流動(dòng)時(shí)，表觀滲透率隨著壓力的變化曲線；圖5-b是溫度為353K、壓力5MPa的條件下，甲烷氣在不同半徑的孔隙中流動(dòng)時(shí)，表觀滲透率隨著壓力的變化曲線；圖5-c是壓力為5MPa，甲烷氣在孔隙半徑為10nm的孔隙中流動(dòng)時(shí)，表觀滲透率隨著溫度的變化曲線；圖5-d為壓力為5MPa，溫度為353K，摩爾質(zhì)量不同的氣體在孔隙半徑為10nm的孔隙中流動(dòng)時(shí)，靜觀滲透率隨著溫度的變化曲線。
通過(guò)圖5可以看出：①孔隙直徑大于1nm時(shí)，表觀滲透率和絕對(duì)滲透率趨于一致，在納米孔隙中，表觀滲透率隨著孔隙直徑的變小而不斷地增大，孔隙直徑越小，表觀滲透率對(duì)于孔隙直徑的變化越敏感，滑脫效應(yīng)越明顯；②壓力對(duì)表觀滲透率有著顯著的影響，隨著壓力降低，表觀滲透率不斷地增大，滑脫效應(yīng)越明顯，對(duì)于納米孔隙、滑脫效應(yīng)的影響不僅僅存在于低壓條件下；③溫度對(duì)于納米孔隙的滑脫效應(yīng)影響很??；④氣體的分子摩爾質(zhì)量對(duì)于滑脫效應(yīng)具有一定的影響，隨著分子摩爾質(zhì)量的增大，表觀滲透率減小。
4 氣體吸附對(duì)納米孔隙氣體流動(dòng)的影響
頁(yè)巖中含有豐富的具有較強(qiáng)的吸附能力的有機(jī)質(zhì)，通常情況下，吸附狀態(tài)天然氣的含量占總含量的20％～85％．一般為50％左右[36]。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有非均勻的孔喉分布特征，且納米級(jí)孔喉占有較大比重，納米孔喉中，吸附氣所占的空間比例更大，不能忽略其影響，頁(yè)巖的吸附特性對(duì)于孔隙空間評(píng)價(jià)[37]、頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算[38]等方面的影響得到了廣泛的關(guān)注，并且也將吸附氣作為供給源引入到了頁(yè)巖氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)中[39-40]。
圖6為有機(jī)質(zhì)孔隙壁面氣體吸附的示意圖，自由相的氣體分子會(huì)被吸附到孔隙壁面，占據(jù)一個(gè)吸附位置，隨著溫度和壓力的變化，氣體分子會(huì)在自由氣相和吸附氣相之間相互轉(zhuǎn)化，吸附層的厚度會(huì)隨之發(fā)生變化，由于滑脫效應(yīng)也是溫度和壓力敏感的，因此氣體吸附解吸會(huì)影響到氣體的滑脫效應(yīng)。有學(xué)者指出，當(dāng)孔隙直徑小于10nm時(shí)，氣體的吸附解吸會(huì)嚴(yán)重地影響氣體的流動(dòng)規(guī)律[41]。
對(duì)于頁(yè)巖的氣體吸附，通常采用Langmuir等溫吸附方程來(lái)表征，即
氣體分子在孔隙壁面的附著會(huì)減小孔隙的半徑，依據(jù)式(7)，受到氣體吸附影響之后的孔隙半徑計(jì)算公式為[42]：
根據(jù)達(dá)西定律，單毛細(xì)管的固有滲誘率表達(dá)式為：
K∞＝r2/8 (9)
根據(jù)式(8)，可以計(jì)算出不同的壓力下孔隙受到吸附層影響之后的實(shí)際有效孔隙半徑，利用有效半徑和實(shí)際半徑，再用式(9)可計(jì)算出吸附層對(duì)其滲透率的影響程度。圖7為不同的壓力和孔隙直徑下，孔隙的固有滲透率同存在吸附層時(shí)的滲透率比值，此時(shí)假設(shè)Langmuir壓力為12.5MPa，這里所計(jì)算的滲透率均為等效液體滲透率，也就是不考慮氣體滑脫效應(yīng)。
考慮氣體滑脫之后，表觀氣體滲透率可以通過(guò)式(6)計(jì)算，其中的孔隙半徑隨著壓力的變化而變化，結(jié)合式(6)、式(8)，分別計(jì)算不考慮及考慮氣體吸附的表觀滲透率。圖8為直徑為10nm的納米孔隙，不同的壓力之下是否考慮氣體吸附的表觀滲透率變化曲線。圖9為壓力為20MPa時(shí)，不同尺寸的納米孔隙是否考慮氣體吸附的表觀滲透率變化曲線。
根據(jù)圖7～圖9，氣體吸附層會(huì)對(duì)納米孔隙的導(dǎo)流性產(chǎn)生重大的影響，在高壓力和小孔隙中，影響更加顯著，這是由于在一定的壓力下，氣體的吸附量是一定的，隨著孔隙直徑的變小，吸附層所占的總的空間的比例越大，流體的流動(dòng)通道越小，降低了導(dǎo)流能力。雖然孔隙直徑的變小能夠相對(duì)的增強(qiáng)氣體的滑脫效應(yīng)，但是所帶來(lái)的表觀滲透率的增加，并不足以彌補(bǔ)孔隙空間變小所帶來(lái)的滲透率損失，總體來(lái)講，吸附層的存在會(huì)降低氣體表觀滲透率。
對(duì)于富有機(jī)質(zhì)納米孔隙頁(yè)巖，不能簡(jiǎn)單地忽略掉吸附層對(duì)于氣體流動(dòng)的影響，在研究頁(yè)巖納米孔隙氣體流動(dòng)的滑脫效應(yīng)時(shí)，應(yīng)充分地考慮氣體吸附的影響。
根據(jù)美國(guó)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)壽命通常比較長(zhǎng)，部分甚至高達(dá)30a，產(chǎn)量年遞減率一般小于5％，許多研究者均認(rèn)為頁(yè)巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期較長(zhǎng)的原因與儲(chǔ)集層的吸附氣含量有關(guān)[43]。經(jīng)過(guò)分析，由于氣體滑脫存在，頁(yè)巖納米孔隙的滲透性隨著壓力降低而有最著的增加，因此納米孔隙的滲流機(jī)理同樣足影響頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征的關(guān)鍵因素，微觀尺度的氣體解吸和納米孔隙中的氣體滑脫共同影響了頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)衰減規(guī)律和最終可采儲(chǔ)量。在這種情況下，如何有效地溝通納米孔隙、降低滲流阻力成為開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的關(guān)鍵問(wèn)題，增大破裂面積，特別是對(duì)毛細(xì)裂紋的溝通，縮短流動(dòng)路徑將是頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的保證。
納米孔隙的流動(dòng)規(guī)律和氣體吸附解吸規(guī)律均對(duì)壓力和溫度敏感，同時(shí)，頁(yè)巖又具有應(yīng)力敏感性[44-45]，因此基于孔喉分布的應(yīng)力—溫度—流動(dòng)耦合模型的建立，是頁(yè)巖氣藏的關(guān)鍵研究方向。
5 認(rèn)識(shí)與建議
1)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層存在多尺度流動(dòng)機(jī)理，頁(yè)巖超低基質(zhì)滲透率及納米尺度的孔喉結(jié)構(gòu)，使天然氣在其中的流動(dòng)規(guī)律與常規(guī)儲(chǔ)層有顯著的不同，氣體滑脫更加顯著，是其微觀尺度重要的流動(dòng)機(jī)理。
2)筆者對(duì)Klinkenberg模型、B-K模型和Javadpour模型應(yīng)用于頁(yè)巖納米孔隙，通過(guò)分析的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Klinkenberg方程無(wú)法準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖的滑脫效應(yīng)，B-K模型和Javadpour模型所表征的納米孔隙的氣體表觀滲透率基本相符，Javadpour模型的表觀滲透率表達(dá)式基于壓力、溫度和氣體性質(zhì)，更有利于應(yīng)用到產(chǎn)能預(yù)測(cè)和數(shù)值模擬中，壓力和孔隙半徑是影響納米孔隙氣體滑脫效應(yīng)的主要因素，溫度和氣體摩爾質(zhì)量的影響相對(duì)較小。
3)頁(yè)巖中含有豐富的具有較強(qiáng)的吸附能力的有機(jī)質(zhì)，筆者建立考慮隨著壓力變化的吸附層變化的表觀滲透率計(jì)算模型，研究表明有機(jī)質(zhì)孔隙表面的氣體吸附解吸附會(huì)改變氣體的流動(dòng)通道，對(duì)納米孔隙中氣體滑脫效應(yīng)存在重要的影響。
4)多尺度流動(dòng)效應(yīng)和基于孔喉分布的應(yīng)力—溫度—流動(dòng)耦合模型應(yīng)是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲流機(jī)理的下一步研究方向。
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本文作者：葛洪魁 申潁浩 宋巖 王小瓊 姜呈馥 史鵬 王暉 楊柳
作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院
陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院
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